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1、全液压钻机液压系统的设计全液压钻机液压系统的设计 郑州勘察机械厂 张红军 魏永辰 王慧基 马占才 顾荣森郑州勘察机械厂 张红军 魏永辰 王慧基 马占才 顾荣森 KP3500 型全液压转盘式钻机是我国第一代全液压特大口径工程钻机，钻孔直径可达型全液压转盘式钻机是我国第一代全液压特大口径工程钻机，钻孔直径可达 3.5m，深度，深度 120m。该机在国内首先采用四泵双马达组成恒功率回路驱动转盘，并采用液压缸代替卷扬机，起重量大。该机在国内首先采用四泵双马达组成恒功率回路驱动转盘，并采用液压缸代替卷扬机，起重量大(可达可达 1.2 MN)，速度快，升降平稳，还可以在必要时进行加压钻进。该钻机，速度快，
2、升降平稳，还可以在必要时进行加压钻进。该钻机 1991 年年底投入铜陵长江大桥使用，年年底投入铜陵长江大桥使用，1992 年通过建设部鉴定，此后又在广东虎门大桥、福建厦门海沧大桥、南京长江二桥、湖北荆沙长江大桥、浙江钱塘江三桥等国家重大工程中使用，因其效率高、工作平稳而受到施工单位一致好评，并荣获建设部科技进步二等奖和国家级新产品奖。因此，设计适用可年通过建设部鉴定，此后又在广东虎门大桥、福建厦门海沧大桥、南京长江二桥、湖北荆沙长江大桥、浙江钱塘江三桥等国家重大工程中使用，因其效率高、工作平稳而受到施工单位一致好评，并荣获建设部科技进步二等奖和国家级新产品奖。因此，设计适用可*的液压系统，对保
3、证钻机的使用性能至关重要。的液压系统，对保证钻机的使用性能至关重要。 1 液压系统设计的基本原则1 液压系统设计的基本原则 利用国内外先进技术和成功经验，结合我国国情和钻机的具体使用要求。力求简单和适用，尽可能地利用最少的液压元件来实现钻机所具备的各种动作。这样，能够降低故障发生概率，提高能量利用率和钻机的可利用国内外先进技术和成功经验，结合我国国情和钻机的具体使用要求。力求简单和适用，尽可能地利用最少的液压元件来实现钻机所具备的各种动作。这样，能够降低故障发生概率，提高能量利用率和钻机的可*性，降低工人劳动强度。性，降低工人劳动强度。 2 主油路系统2 主油路系统 2.1 调速方式和液压泵的
4、选择2.1 调速方式和液压泵的选择 液压系统的调速方式有无级调速和有级调速两大类。无级调速具有调速范围大，能适应不同钻进工艺的要求，但是，变量控制回路和液压泵驱动机构较复杂。液压系统的调速方式有无级调速和有级调速两大类。无级调速具有调速范围大，能适应不同钻进工艺的要求，但是，变量控制回路和液压泵驱动机构较复杂。KP3500 型全液压钻机采用型全液压钻机采用 4 台台 A7V160LV1R 恒功率变量泵和恒功率变量泵和 2 台台 2QJM62-6.3B 低速大扭矩液压马达组成恒功率调速系统，把有级变速和无级变速结合起来，拓宽了调速范围，而且在调速时不需要节流和溢流，能量利用比较合理，效率高而发热
5、少。低速大扭矩液压马达组成恒功率调速系统，把有级变速和无级变速结合起来，拓宽了调速范围，而且在调速时不需要节流和溢流，能量利用比较合理，效率高而发热少。 由于钻机施工地层情况复杂，负载多变，要求钻机能随负载的变化自动调节转速和转矩，而恒功率变量系统能适应负载工况的要求，即随负载的增加，系统能够自动降低转速，增大转矩。并能最大限度地利用源动机的功率，达到最佳的钻进效果。由于钻机施工地层情况复杂，负载多变，要求钻机能随负载的变化自动调节转速和转矩，而恒功率变量系统能适应负载工况的要求，即随负载的增加，系统能够自动降低转速，增大转矩。并能最大限度地利用源动机的功率，达到最佳的钻进效果。A7V160L
6、V1R 恒功率变量泵的工作特点正在于它的排量能随负载压力的变化自动调节，以保证输入功率接近恒定值。若不计效率，则马达输出的功率恒功率变量泵的工作特点正在于它的排量能随负载压力的变化自动调节，以保证输入功率接近恒定值。若不计效率，则马达输出的功率 N 基本上等于泵输入的功率，亦为恒值，由马达的功率公式基本上等于泵输入的功率，亦为恒值，由马达的功率公式 NMn974 可知，可知，N 恒定时，恒定时，M 与与 n 呈双曲线关系，即在恒功率变量泵的控制下，随着负载的变化，马达输出的转矩呈双曲线关系，即在恒功率变量泵的控制下，随着负载的变化，马达输出的转矩 M 与转速与转速 n 之间按双曲线关系自动调节
7、，可满足工况要求，其调速特性曲线如图之间按双曲线关系自动调节，可满足工况要求，其调速特性曲线如图 1 所示。所示。 图图 1 恒功率变量泵 恒功率变量泵-定量马达回路调速特性曲线定量马达回路调速特性曲线 2.2 液压阀的选择 液压阀的选择 为了满足高压，大流量的需求，减少液压系统的造价，提高性能价格比，我们选用了插装阀。插装阀具有通流能力大，动作速度快，组合机能强，密封性好，结构紧凑，抗污染能力强，易于集成等优点。并采用集成块，显著减小了尺寸和重量。为了满足高压，大流量的需求，减少液压系统的造价，提高性能价格比，我们选用了插装阀。插装阀具有通流能力大，动作速度快，组合机能强，密封性好，结构紧凑
8、，抗污染能力强，易于集成等优点。并采用集成块，显著减小了尺寸和重量。 2.3 马达的选择 马达的选择 工程机械多数要求转速低而转矩大，所以低速大扭矩液压马达的应用成为发展趋势，它与高速小扭矩马达加减速器的方式相比，优点在于减少了机械传动件，结构简单，布置维修方便，工作可工程机械多数要求转速低而转矩大，所以低速大扭矩液压马达的应用成为发展趋势，它与高速小扭矩马达加减速器的方式相比，优点在于减少了机械传动件，结构简单，布置维修方便，工作可*，转矩大，而且低速稳定性好。，转矩大，而且低速稳定性好。 目前，低速大扭矩液压马达的主要形式有多作用径向柱 目前，低速大扭矩液压马达的主要形式有多作用径向柱(球
9、球)塞式，双斜盘轴向柱塞式和摆线转子式等。凡是转速范围要求宽，径向尺寸小，轴向不受限制的场合，用双斜盘轴向柱塞式马达；当传递转矩大，低速稳定性要求高，采用内曲线多作用径向柱塞式，双斜盘轴向柱塞式和摆线转子式等。凡是转速范围要求宽，径向尺寸小，轴向不受限制的场合，用双斜盘轴向柱塞式马达；当传递转矩大，低速稳定性要求高，采用内曲线多作用径向柱(球球)塞马达。塞马达。 2QJM62-6.3B 低速大扭矩马达采用钢球代替了一般内曲线液压马达所用的滚轮和横梁，因而结构简单，工作可低速大扭矩马达采用钢球代替了一般内曲线液压马达所用的滚轮和横梁，因而结构简单，工作可*，体积和重量显著减小，耐冲击，调速范围宽
10、，改变进入液压马达的流量即可改变转速，实现无级变速的目的；马达同时又具有两级变量，而有级变量是通过改变配流轴中变速阀阀芯位置来实现的，因而兼顾有级调速和无级调速的优点，具有更大的适应性，体积和重量显著减小，耐冲击，调速范围宽，改变进入液压马达的流量即可改变转速，实现无级变速的目的；马达同时又具有两级变量，而有级变量是通过改变配流轴中变速阀阀芯位置来实现的，因而兼顾有级调速和无级调速的优点，具有更大的适应性(主油路系统液压原理图如图主油路系统液压原理图如图 2 所示所示)。 图图 2 主机液压系统原理图 主机液压系统原理图 2.4 电磁阀 电磁阀 YV1、YV2 工作原理工作原理 1) 由于钻机
11、工作时流量大，达由于钻机工作时流量大，达 960 Lmin，因此各种阀全部采用电磁阀作为先导阀，可以减小操作强度，使操作面板更为紧凑，控制室内无油管，改善了操作环境；当，因此各种阀全部采用电磁阀作为先导阀，可以减小操作强度，使操作面板更为紧凑，控制室内无油管，改善了操作环境；当 YV1a，YV1b断电时，钻盘断电时，钻盘(马达马达)处于浮动状态，此时可以在不停主机泵组的情况下，用手转动转盘来调整钻杆的方向，以便顺利地装卸钻杆。处于浮动状态，此时可以在不停主机泵组的情况下，用手转动转盘来调整钻杆的方向，以便顺利地装卸钻杆。 2) YV1b 通电时，通电时，Ib 主阀不通，马达处于工作状态。主阀不
12、通，马达处于工作状态。 进油路： 进油路： 泵马达。 泵马达。 回油路： 回油路： 马达 马达Ia 主阀缓冲阀背压阀冷却器油箱。主阀缓冲阀背压阀冷却器油箱。 泵的另一出油口，由于电磁阀 泵的另一出油口，由于电磁阀 YV1b 通电，其主阀不通，当工作压力超过系统设定压力通电，其主阀不通，当工作压力超过系统设定压力 17MPa 时，开启溢流。时，开启溢流。 3) YV1a 通电时，其主阀不通，即马达制动；另一路经总溢流阀背压阀冷却器油箱。通电时，其主阀不通，即马达制动；另一路经总溢流阀背压阀冷却器油箱。 4) YV2 通电时， 用背压阀的压力来调整马达弹簧压紧的变速阀芯， 达到液压马达换挡调速的目
13、的，背压阀设定压力通电时， 用背压阀的压力来调整马达弹簧压紧的变速阀芯， 达到液压马达换挡调速的目的，背压阀设定压力 0.60.8 MPa。 3 起重进给系统 起重进给系统 3.1 起重进给方式的选择 起重进给方式的选择 由于 由于 KP3500 型全液压钻机设计钻孔直径型全液压钻机设计钻孔直径 3.5 m， 孔深， 孔深 120 m， 整个钻具重量达数十吨，如果利用钢丝绳， 整个钻具重量达数十吨，如果利用钢丝绳-滑轮倍增机构，游动滑车组结构复杂，单绳起重量大，还要增设卷场，刹车等附加装置；而深孔转盘钻机钻进时主要是在减压工况下工作，其钻压和进给速度的调节要人工通过升降机制动器和钢绳滑车系统来
14、实现，人工调节精度低，同时容易引起精神上和体力上的疲劳，增强工人劳动强度。因此，利用液压缸代替卷扬机升降钻具，升降系统和进给系统合一，不仅起重量大，速度快，升降平稳，还可以在必要时进行加压钻进。滑轮倍增机构，游动滑车组结构复杂，单绳起重量大，还要增设卷场，刹车等附加装置；而深孔转盘钻机钻进时主要是在减压工况下工作，其钻压和进给速度的调节要人工通过升降机制动器和钢绳滑车系统来实现，人工调节精度低，同时容易引起精神上和体力上的疲劳，增强工人劳动强度。因此，利用液压缸代替卷扬机升降钻具，升降系统和进给系统合一，不仅起重量大，速度快，升降平稳，还可以在必要时进行加压钻进。 进给系统是钻机的重要组成部分
15、，直接影响钻进效率、质量和钻机的功率消耗。进给回路一般有节流进给，压力平衡进给和调压进给进给系统是钻机的重要组成部分，直接影响钻进效率、质量和钻机的功率消耗。进给回路一般有节流进给，压力平衡进给和调压进给 3 种方式。调压进给回路能够调节钻头的压力，但在减压钻进时，系统损失较大，且不能控制进给速度；压力平衡进给回路的背压造成系统压力损失和发热；节流调速进给回路可控制进给速度快慢，回油背压的存在可使进给速度更加稳定，使钻速对钻压的波动的影响较小，从而减少了对钻头切削刃上的动载作用，延长钻头寿命。种方式。调压进给回路能够调节钻头的压力，但在减压钻进时，系统损失较大，且不能控制进给速度；压力平衡进给
16、回路的背压造成系统压力损失和发热；节流调速进给回路可控制进给速度快慢，回油背压的存在可使进给速度更加稳定，使钻速对钻压的波动的影响较小，从而减少了对钻头切削刃上的动载作用，延长钻头寿命。KP3500 钻机采用回油路节流调速进给系统，为了减少功率损失和油液发热，可使系统依钻机采用回油路节流调速进给系统，为了减少功率损失和油液发热，可使系统依*钻具及配重的重量无泵减压钻进。钻具及配重的重量无泵减压钻进。 3.2 液压系统的确定 液压系统的确定 由于主机系统在变量过程中液压油易发热，且恒功率变量泵要求的过滤精度也比齿轮泵高。所以，起重进给系统单独采用定量齿轮泵由于主机系统在变量过程中液压油易发热，且恒功率变量泵要求的过滤精度也比齿轮泵高。所以，起重进给系统单独采用定量齿轮泵-液压缸系统，齿轮泵结构简单紧凑，转速高，自吸性能好，对油液污染也不敏感；利用电液单向插装阀使系统具有液压缸系统，齿轮泵结构简单紧凑，转速高，自吸性能好，对油液污染也不敏感；利用电液单向插装阀使系统具有 4 种功能：升降钻具，加压下降
